鄭衛(wèi)東，梁海騰，邵帥，熊志成

（華能玉環(huán)電廠，浙江臺(tái)州317604）

1 000 MW火電機(jī)組MEH控制系統(tǒng)一體化改造

鄭衛(wèi)東，梁海騰，邵帥，熊志成

（華能玉環(huán)電廠，浙江臺(tái)州317604）

針對(duì)某1 000 MW火電機(jī)組MEH控制系統(tǒng)存在的系統(tǒng)老化、維護(hù)不便等問(wèn)題，實(shí)施了一體化改造，分析了改造的內(nèi)容，探討了改造過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題。給出了解決三菱伺服系統(tǒng)與OVATION系統(tǒng)接口不一致問(wèn)題的方案，同時(shí)對(duì)施工調(diào)試中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了闡述。改造后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制功能滿足要求，對(duì)全廠自動(dòng)化提升有較好預(yù)期。

超超臨界；給水泵；控制；一體化改造

0 引言

隨著火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化的飛速發(fā)展，建設(shè)數(shù)字化發(fā)電廠成為必然的發(fā)展。但目前同一發(fā)電廠控制系統(tǒng)品牌繁多的現(xiàn)象普遍存在，造成了全廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)融合度差，存在不同程度的信息孤島。這些影響著發(fā)電廠數(shù)字化發(fā)展的進(jìn)程，同時(shí)也給熱控人員的運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)困難。已建成發(fā)電廠如何逐步消除信息孤島?全廠控制系統(tǒng)一體化是其中一種方案。

1 機(jī)組概況

浙江某發(fā)電廠4×1 000 MW火電機(jī)組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)的超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐,汽輪機(jī)由上海汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)的一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)。每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)50%BMCR（鍋爐最大出力工況）容量的給水泵，給水泵由小汽輪機(jī)（簡(jiǎn)稱小機(jī)）驅(qū)動(dòng)，小汽輪機(jī)為日本三菱重工生產(chǎn)的單缸、單流程、下排汽純凝汽式汽輪機(jī)，每臺(tái)給水泵小機(jī)自身配置供油系統(tǒng)。

主機(jī)及脫硫DCS（分散控制系統(tǒng)）、電除塵DCS采用艾默生過(guò)程控制公司的OVATION系統(tǒng)。水、灰渣、除塵及輸煤系統(tǒng)采用PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)，其中化水、灰渣、渣水系統(tǒng)組成輔網(wǎng)，實(shí)行集中控制。

2 MEH控制系統(tǒng)改造的意義

2.1 MEH控制系統(tǒng)概況

給水泵小機(jī)控制系統(tǒng)隨小機(jī)本體由日本三菱原裝成套提供，采用的是三菱“Diasys Netmation”分散控制系統(tǒng)。每臺(tái)機(jī)組MEH（小汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)）主要由4對(duì)控制器、1臺(tái)操作員站、1臺(tái)服務(wù)器（含工程師站功能）、I/O卡件組成，系統(tǒng)集成TSI（汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)）及ETS（汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)）功能。控制機(jī)柜6個(gè)，其中2個(gè)MEH控制柜，2個(gè)ETS控制柜，2個(gè)TSI控制柜，2個(gè)電源分配柜。

MEH與DCS系統(tǒng)獨(dú)立，通過(guò)通信方式與主機(jī)DCS連接，沖轉(zhuǎn)、并泵、試驗(yàn)等主要操作在DCS上完成，泵轉(zhuǎn)速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速后，切遙控模式，接收DCS系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)速指令，MEH轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。未配置與SIS（廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)）對(duì)接的接口，主要數(shù)據(jù)通過(guò)通信方式送至DCS后再送至SIS系統(tǒng)。

2.2 MEH控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

該系統(tǒng)基建階段由日本三菱公司的技術(shù)人員進(jìn)廠完成整套調(diào)試工作，后期應(yīng)用過(guò)程中遇到了諸多困難，影響到機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）系統(tǒng)設(shè)備老化。經(jīng)過(guò)十多年運(yùn)行，控制系統(tǒng)大部分元器件已進(jìn)入老化期，系統(tǒng)可靠性降低，故障發(fā)生的頻度增大，影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。根據(jù)原廠家提供的小機(jī)MEH系統(tǒng)硬件維護(hù)計(jì)劃，十年期限需要進(jìn)行定期更換的設(shè)備基本涵蓋了小機(jī)MEH系統(tǒng)絕大數(shù)硬件設(shè)備。2015年某臺(tái)MEH控制系統(tǒng)的缺陷超過(guò)10條。

（2）廠家技術(shù)支持缺乏。該系統(tǒng)作為全進(jìn)口給水泵配套設(shè)備，日常維護(hù)中，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和有技術(shù)性難題后，缺乏廠家技術(shù)支持。

（3）備品備件困難。MEH系統(tǒng)需要與DCS分開(kāi)單獨(dú)采購(gòu)備品備件，且采購(gòu)周期長(zhǎng)。而且由于國(guó)外系統(tǒng)升級(jí)換代等原因，導(dǎo)致原型號(hào)備件困難。

（4）MEH與DCS之間信號(hào)傳輸延時(shí)長(zhǎng)，DCS與MEH整體的協(xié)調(diào)性差：MEH系統(tǒng)和DCS之間通過(guò)MODBUS協(xié)議進(jìn)行通信。由于MEH系統(tǒng)比較封閉，2個(gè)系統(tǒng)通信傳輸會(huì)產(chǎn)生比較大的延時(shí)。以4號(hào)機(jī)組給水泵小機(jī)油泵為例：當(dāng)運(yùn)行人員對(duì)油泵進(jìn)行手/自動(dòng)切換的時(shí)，從按下切換按鈕開(kāi)始一般在6～8 s能在DCS上收到切換信號(hào)。較大的延時(shí)給運(yùn)行人員造成了困擾，影響事故狀態(tài)下的處理速度，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的可靠性也提出了挑戰(zhàn)。

2.3 MEH控制系統(tǒng)一體化改造的目的

（1）解決系統(tǒng)存在的老化問(wèn)題，提高系統(tǒng)可靠性，防患于未然，解決備品備件費(fèi)用高、采購(gòu)周期過(guò)長(zhǎng)和技術(shù)服務(wù)缺乏等方面的問(wèn)題。改造后，MEH與DCS備件通用，不需要單獨(dú)采購(gòu)備品備件。改造后可減少檢修、維護(hù)的工作量，降低維修成本。

（2）可以提高系統(tǒng)操作反應(yīng)速度，降低系統(tǒng)通信傳輸延時(shí)。

（3）通過(guò)改造提高DCS與MEH整體的協(xié)調(diào)性，使系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)和操作更加便捷，減少運(yùn)行操作和監(jiān)盤強(qiáng)度，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）提高機(jī)組熱工自動(dòng)化水平和熱控系統(tǒng)的可靠性，一體化改造后，MEH系統(tǒng)數(shù)據(jù)孤島將被消除。

3 MEH控制系統(tǒng)改造內(nèi)容

3.1 MEH控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到主機(jī)版本較低，改造后MEH系統(tǒng)選用Ovation最新版本（Ovation3.5）系統(tǒng)，待主機(jī)升級(jí)后進(jìn)行合并。MEH控制系統(tǒng)單獨(dú)組網(wǎng)，3臺(tái)Cisco 2960交換機(jī)，冗余以太網(wǎng)配置。系統(tǒng)包含工程師站、歷史站、操作員站1套，4對(duì)OCR1100控制器，小機(jī)A控制器定義為CTRL40/90，CTRL41/ 91，B控制器定義為CTRL42/92，CTRL43/93，預(yù)留DEH一體化控制器定義段，改造后能通過(guò)DCS對(duì)MEH系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 MEH系統(tǒng)

3.2 MEH控制系統(tǒng)改造方案

3.2.1 硬件方案

現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備不進(jìn)行任何改造為總原則，重點(diǎn)改造閥門控制及轉(zhuǎn)速測(cè)量等接口。單臺(tái)小機(jī)各增加2個(gè)緊急跳閘按鈕；原先油動(dòng)機(jī)沒(méi)有位置反饋顯示，每個(gè)調(diào)門增加LVDT（線性可變差動(dòng)變壓器）反饋裝置1套，配套增加儀表控制箱1只。采用2路220 V（20 A）交流DCS供電，保留原有系統(tǒng)1路110 V DC、1路220 V AC進(jìn)線電源，增加1套110 V DC/24 V DC（20 A）電源切換、增加1套220 V/24 V DC（20 A）電源切換裝置。具體軟件改造如下：

（1）電液轉(zhuǎn)換器：電液轉(zhuǎn)換器與新系統(tǒng)對(duì)接成功是MEH改造的基礎(chǔ)，原三菱MEH高、低壓調(diào)門為WOODWARD公司的EG-3P電液轉(zhuǎn)換器，接收MEH閥門控制卡電流信號(hào)，控制電流大小20～160 mA，開(kāi)環(huán)控制。由于OVATION系統(tǒng)無(wú)此類型的閥門控制卡及AO卡，增加控制接口卡，選用WOODWARD公司的SPC卡（最大輸出電流250 mA），改造后OVATION控制器通過(guò)AO卡送出4～20 mA閥位控制信號(hào)給SPC（位置伺服單元）卡，SPC卡驅(qū)動(dòng)電液轉(zhuǎn)換器。SPC可以設(shè)置比例型或者積分型，本改造尊重原始設(shè)計(jì)，未將LVDT信號(hào)引入閉環(huán)，選擇比例功能。LVDT可靠的情況下，可以將反饋引入SPC卡（圖中虛線部分），以實(shí)現(xiàn)調(diào)閥閉環(huán)控制。原理圖及SPC卡見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 電液轉(zhuǎn)換器原理

圖3 閥門控制卡

（2）轉(zhuǎn)速采集：原轉(zhuǎn)速傳感器是5只磁阻式轉(zhuǎn)速探頭1只電渦流探頭，現(xiàn)場(chǎng)6只轉(zhuǎn)速探頭保持不變，5路進(jìn)入MEH，轉(zhuǎn)速卡采用OVATION特殊的轉(zhuǎn)速采集卡，電渦流探頭進(jìn)入TSI系統(tǒng)后輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)至MEH。

（3）控制器：將原有的MEH系統(tǒng)控制單元CPU全部更換為冗余的OVATION系統(tǒng)OCR1100控制器。

（4）I/O卡件：將原有的MEH系統(tǒng)DCS和所有卡件更換為OVATION系統(tǒng)系列模件。原則上，原系統(tǒng)電纜接入機(jī)柜位置保持不變。

（5）控制器機(jī)柜：原控制柜利舊，改造后控制柜保留，內(nèi)部重新進(jìn)行集成。TSI系統(tǒng)設(shè)備保持不變，輸出直接入新系統(tǒng)。所有輸入電纜及柜內(nèi)接線端子排保留原設(shè)計(jì)。改造后的控制柜如圖4所示。

圖4 改造后控制柜、網(wǎng)絡(luò)柜、電源柜實(shí)物

3.2.2 軟件方案

在此次改造中，畫面及邏輯組態(tài)由DCS廠家負(fù)責(zé)。在不改變給水泵小機(jī)控制策略基礎(chǔ)上，結(jié)合以前DCS與MEH的設(shè)計(jì)理念，重新設(shè)計(jì)MEH畫面，重新進(jìn)行MEH組態(tài)和系統(tǒng)調(diào)試。DCS廠家根據(jù)用戶提供的IO清單、運(yùn)行規(guī)程和控制要求及原系統(tǒng)的流程圖，編寫改造邏輯控制說(shuō)明，發(fā)電廠進(jìn)行審核，確?？刂品桨笣M足要求后開(kāi)始實(shí)施。

畫面及邏輯組態(tài)由DCS廠家提供模板，具備操作確認(rèn)及掛牌功能，考慮與主機(jī)合并的要求，預(yù)留圖號(hào)及操作窗口等，保持整體風(fēng)格與主機(jī)DCS一致性。畫面如圖5所示。

3.2.3 其他方面

由于MEH暫時(shí)沒(méi)有和DCS合并，二者采用Moudbus通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。2套系統(tǒng)通過(guò)LC卡實(shí)現(xiàn)通信，由于2個(gè)系統(tǒng)為同一品牌，通信易于實(shí)現(xiàn)。需要注意的是設(shè)置通信卡時(shí)，可以將DCS設(shè)置為主，MEH設(shè)置為輔。為提高可靠性，通信卡冗余配置。MEH系統(tǒng)的OPC（機(jī)組超速保護(hù)）站與SIS系統(tǒng)對(duì)接，時(shí)鐘接入全廠GPS（全球定位系統(tǒng)）時(shí)鐘單元。

DCS至MEH轉(zhuǎn)速指令采用硬接線方式，MEH接受來(lái)自DCS的轉(zhuǎn)速遙控信號(hào)（4～20 mA）,小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)2 850～6 000 r/min。

增加超速停機(jī)及手動(dòng)打閘停機(jī)硬回路保護(hù)，保留MEH控制器故障停機(jī)硬回路設(shè)計(jì)。超速保護(hù)MEH“三取二”，5塊轉(zhuǎn)速卡均輸出轉(zhuǎn)速越限邏輯量信號(hào)，定值6 440 r/min，其中3路進(jìn)入硬保護(hù)回路。另外2路及超速第1路作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)，根據(jù)故障安全性原則，3路轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行高選，控制回路將此信號(hào)作為實(shí)際轉(zhuǎn)速輸入信號(hào)，TSI系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號(hào)作為零轉(zhuǎn)速。

3.2.4 調(diào)試和施工遇到的問(wèn)題

施工中，一是遇到柜內(nèi)空間不足的問(wèn)題，SPC卡較大，沒(méi)有合適的空間布置，有2個(gè)方案選擇，一是將SPC卡放置就地，二是布置在小機(jī)TSI機(jī)柜，考慮到抗干擾及系統(tǒng)完善等原因，將SPC卡布置在TSI機(jī)柜。

二是在現(xiàn)場(chǎng)集成時(shí)，出廠的卡件機(jī)架偏大，無(wú)法直接安裝在原有控制柜內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)調(diào)整卡件分布，需要在以后改造中計(jì)算好尺寸。

調(diào)試比較順利，遇到轉(zhuǎn)速大偏差時(shí)，PID算法中比例作用不明顯，轉(zhuǎn)速自動(dòng)跟蹤慢的問(wèn)題，檢查設(shè)置，輸入增益未設(shè)置，默認(rèn)為“1”，而PID在偏差超過(guò)100時(shí)，按照100計(jì)算，調(diào)整輸入增益為0.02，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際整定PID比例系數(shù)后正常。

圖5 控制畫面

4 改造后MEH功能及性能

4.1 改造后MEH主要控制功能

4.1.1 轉(zhuǎn)速控制功能

MEH控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速有3種運(yùn)行控制方式：手動(dòng)、轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制、轉(zhuǎn)速遙控。手動(dòng)控制方式為開(kāi)環(huán)控制方式，在該方式時(shí)，操作員手動(dòng)設(shè)定小機(jī)調(diào)閥開(kāi)度，通過(guò)直接控制閥門達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制方式是自動(dòng)調(diào)節(jié)常用的方式之一，操作員選擇轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制方式時(shí)，通過(guò)設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速及升速率，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制。轉(zhuǎn)速遙控方式：遙控投入條件滿足并投入遙控時(shí)，MEH接收來(lái)自DCS轉(zhuǎn)速指令信號(hào)，MEH作為DCS的一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4.1.2 小汽輪機(jī)的掛閘和打閘功能

在任何情況下可以通過(guò)畫面或者儀表控制箱的手動(dòng)停機(jī)按鈕停機(jī)，METS具有完整的保護(hù)停機(jī)設(shè)計(jì)。

4.1.3 超速保護(hù)和超速試驗(yàn)功能

若運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定的超速保護(hù)值時(shí)，MEH輸出超速信號(hào)，使現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)電磁閥動(dòng)作，卸載保安油，使高低壓主汽閥和高低壓調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉。

油系統(tǒng)連鎖控制功能，具備主、備油泵聯(lián)鎖保護(hù)，直流油泵聯(lián)鎖等功能。

4.2 MEH系統(tǒng)的性能

經(jīng)過(guò)性能試驗(yàn)，MEH系統(tǒng)的DPU（分散處理單元）負(fù)荷率小于20%、掃描處理速率小于200 ms，主要性能指標(biāo)均優(yōu)于原系統(tǒng)。任何顯示畫面均能在小于2 s的時(shí)間內(nèi)完全顯示出來(lái)，顯示屏畫面刷新周期為1 s；鍵盤操作指令響應(yīng)時(shí)間不大于1 s。

4.3 改造后的運(yùn)行情況

改造于2016年10月完成，啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)一次成功,B修后連續(xù)運(yùn)行100天，控制系統(tǒng)未發(fā)生任何異常和缺陷。MEH控制系統(tǒng)功能達(dá)到了原設(shè)計(jì)的要求，轉(zhuǎn)速控制精度靜態(tài)穩(wěn)定精度±1 r/min，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.5 s，最大動(dòng)態(tài)偏差±4 r/min。響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 小機(jī)轉(zhuǎn)速控制響應(yīng)曲線

5 結(jié)語(yǔ)

在IO清冊(cè)核對(duì)準(zhǔn)確、伺服系統(tǒng)接口可靠轉(zhuǎn)換及原有柜接線圖紙“消化”的前提下，實(shí)施MEH一體化改造，可以取得較好效果。在智能發(fā)電廠呼之欲出的今天，消除信息孤島，提高數(shù)據(jù)可用性成為必然，控制系統(tǒng)一體化改造是信息整合的有效手段之一。該改造案例可供同類型MEH控制系統(tǒng)改造借鑒。

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（本文編輯：陸瑩）

Integrated Transformation of MEH for 1 000 MW Thermal Power Generating Units

ZHENG Weidong，LIANG Haiteng，SHAO Shuai，XIONG Zhicheng
（Huaneng Yuhuan Power Plant，Taizhou Zhejiang 317604，China）

This paper introduces the transformation of a 1 000 MW thermal power plant MEH（micro electrohydraulic control system）in the context of system ageing and maintenance inconvenience.The paper analyzes the content of the transformation and explores the technical difficulties in the process of transformation.The paper presents a scheme to handle interface inconsistency between Mitsubishi servo system and OVATION system；meanwhile，it elaborates on the problems in construction and debugging.After the transformation，operation stability of the system is achieved，and its control functions are up to standard，which is expected to improve the automation of the entire plant.

ultra-supercritical；feed pump；control；integrated transformation

10.19585/j.zjdl.201708013

1007-1881（2017）08-0064-05

TK323

B

2017-03-27

鄭衛(wèi)東（1975），男，工程師，長(zhǎng)期從事電廠熱工研究管理工作。